Alüminyum ilavesinin çift esaslı roket katı yakıt performansına etkilerinin incelenmesi

Roketlerde kullanılan katı yakıtlar, asıl olarak iki çeşittir. Bunlardan yaygın olarak bilineni nitroselülöz ve nitrogliserin karışımı çift esaslı katı yakıtlardır. Diğeri ise organik yakıt, anorganik oksitleyici ve bağlayıcıdan meydana gelen heterojen bir karışımdır. Bu katı yakıtların enerjileri yüksek, mekanik özellikleri daha iyidir. Çift esaslı katı yakıtlara oksitleyici ve metal yakıt ilave edilerek kompozite değiştirilmiş çift esaslı katı yakıtlar (CMDB) elde edilmiştir. CMDB cinsi katı yakıtlar hem çift esaslı (DB), hem de kompozit (CP) katı yakıtlara göre daha üstün özelliklere sahiptir. CMDB tipi katı yakıtların kullanım alanları askeri sistemler ile uzay araçlarıdır. DB karışımlar yaygın olarak küçük askeri uygulamalar, havan topları, roket ve jet tahrik sistemlerinde kullanılırlar. Kompozit karışımlar ise hem roketlerde, hem de jet uçaklarının tahrik edilmesinde kullanılır. CMDB tipi katı yakıtlar bir oksitleyici bileşik (AP, KP, KN) ile, yüksek enerjili malzemeler (RDX, HMX, PETN) ve çift esaslı matriks içerisinde dağılmış halde metalik yakıt (Al) ihtiva ederler. Hafif metal tozları özellikle de alüminyum karasız yanmayı düzenlemek ve balistik performansı arttırmak amacıyla hem kompozit, hem de CMDB tipi katı yakıtlarda yaygın olarak kullanılır. Alüminyum parçacıklarının yanmasıyla alüminyum oksit oluşur ve yanma sırasında alüminyum parçacıklarının yüzeyine dağılarak yoğunlaşır. Alüminyum ilk yanma ürünleri ile reaksiyona girer ve büyük oranda enerji açığa çıkar. Bu da alüminyum bulunmayan duruma göre daha uzun süre yanma ve daha yüksek basınç elde edilmesini sağlar. Toz haldeki alüminyum ağırlıkça % 14 ile 18 oranlarında ilave edilir. Bor, alüminyuma göre daha hafif olmasına karşılık daha yüksek yanma enerjisine sahiptir. Ancak mevcut yanma odalarında yükske verimde yanabilmesi güçtür. Bunun için, pratik bir yakıt olarak kullanılamamaktadır. Berilyum, bora göre çok daha kolay yanar, fakat yüksek oranda zehirli bileşik ihtiva ettiği için canlılara zararlıdır. Perkloratlar ve anorganik nitratlar kompozit tip katı yakıtlarda oksitleyici kristaller olarak kullanılmaktadır. Amonyum perklorat (AP) yaygın olarak kullanılan bir oksitleyicidir. Diğer oksitleyiciler amonyum nitrat (AN) ve potasyum perklorat (KP) roket yakıtlarında kullanılmaktadır. Anorganik nitratların perkloratlara göre oksitleyicilik özellikleri daha düşüktür. Katı yakıtların fiziksel ve kimyasal özelliklerini kontrol etmek için düşük oranlarda diğer ilaveler de kullanılır. Bu ilavelerin kullanılmasının amacı; (1) Yanmayı düzenleme, (2) Depolama sırasındaki ayrışmadan kaçınmak için kimyasal kararlılığı artırma, (3) Üretim esnasında katı yakıtların özellikerlini kontrol etme (sertleşme süresi, döküm akışkanlığı, ıslatıcılık), (4) Elastik şekil değiştirmeyi azaltma ve fiziksel dayanımı arttırma, (5) Sürtünme ve sıcaklığa karşı duyarlılığı azaltmaktır. Roketi hareket ettiren kuvvet katı yakıtların yanmasıyla elde edilen sıcak ve yüksek basınçatki gazlar tarafından sağlanır. Bir katı yakıtlı roket motoru üç temel elemana sahiptir; (1) Katı yakıt çekirdeği, (2) Tutuşturucu ve (3) Silah kısmı (nozul ve gövde). Pek çok roket motorları, katı yakıtlar tarafından üretilen yüksek basınçlara uygun olarak yapılmışlardır. Katı yakıt tutuştuğunda, roket yanma odası basıncı nozul çıkış ağızı çapına ve katı yakıtın yanma hızına bağlı olarak 0,005 ile 0,05 arasında en yüksek değerlere ulaştığı tesbit edilmiştir. Roketin hızı ve balistik özellikleri yanma odası iç sıcaklığının normal sıcaklılara göre çok düşük ve çok yüksek değerlerine ulaşmasıyla etkilenebilmektedir. Bu çalışmada,çift esaslı katı yakıt karışımlarına değişik oranlarda alüminyum tozu ilave edilmiştir.% 0.2 ila % 12 arasında değişen çeşitli alüminyum konsantrasyonları kullanılmıştır. Alüminyum tozları flake ve küresel olmak üzere iki farklı şekle sahiptir. Alüminyum tozu ilave edilen karışımlarda oksitleyici kristaller bulunmamaktadır. İlâve edilen alüminyum tozunun miktarı arttıkça karışımların yanma hızları azalmaktadır. Lineer yanma hızı Al miktarının artmasıyla 12 mm/s'den 8.54 mm/s değerlerine azalmıştır. Ayrıca yanma ısısı ve katı yakıtın yoğunluğu alüminyum tozunun miktarına bağlı olarak artmaktadır. Yanma ısısı alüminyum tozu ilave edilmeyen karışımlarda 860 cal/g olarak bulunmuştur.% 12 küresel Al tozu ihtiva eden karışımlar için 1135 cal/g bulunmuştur. Alüminyum tozu ihtiva eden karışımların yoğunluğu 1.45 g/cm3'ten 1.61 g/cm3'e yükselmiştir. Alüminyum tozunun miktarına bağlı olarak katı yakıtın ağırlık kaybı (stabilite) değişmemiştir. Alüminyum tozu miktarına bağlı olarak karışımın mekanik özellikleri ve shore sertlikleri ölçülmüştür. Mekanik özelliklerde alüminyum tozunun miktarına bağlı olarak yüksek oranda bir değişme olmamıştır. Bulunan sonuçlar kompozit,çift esaslı ve CMDB tipi katı yakıtların değerleriyle karşılaştırılmıştır.